삼성 ISOCELL의 듀얼 픽셀 기술 - 디지털 사진 마이너 갤러리

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2019-02-22

[정보] 삼성 ISOCELL의 듀얼 픽셀 기술앱에서 작성

니콘3세대

2024.05.20 14:41:12

조회 525 추천 12 댓글 3

1. 듀얼 픽셀 이란 무엇인가?

‘듀얼 픽셀’ 기술을 이해하기 위해서는 위상차 검출 자동초점 방식(Phase Detection Auto Focus, PDAF)을 먼저 살펴봐야 합니다. 사람은 양쪽 눈에 맺히는 상을 무의식적으로 맞추는 과정을 통해 초점을 잡는데, 위상차 검출 방식은 이 원리를 차용했습니다다. 좌우 지점에서 위상을 측정하고 그 차이를 계산해 초점을 맞추는 것입니다

과거 이미지센서는 센서 곳곳에 위치한 자동 초점용 픽셀을 활용해 PDAF를 구현했습니다. 전체 픽셀 중 일부는 왼쪽 또는 오른쪽 절반이 가려진 채 나머지 한쪽으로만 빛을 받아들이고, 이들의 정보를 활용하여 좌우 위상차를 검출합니다. 자동초점을 위한 픽셀들이 많아지면 초점은 빨리 잡히지만, 그만큼 색 정보는 받아들일 수 없어 화질이 저하될 수 있습니다. 이런 문제점을 해결하기 위해 탄생한 것이 ‘듀얼 픽셀’ 기술입니다

듀얼 픽셀 기술은 센서의 모든 픽셀들이 색 정보를 받아들이면서 위상차도 측정하도록 합니다. 때문에 화질 저하 없이 자동 초점 속도와 정확도가 압도적으로 높아집다. 듀얼 픽셀을 채용한 이미지 센서의 각 픽셀들은 좌우 두 개의 포토 다이오드를 갖는데, 두 다이오드가 각각 왼쪽과 오른쪽의 위상을 측정하면 센서는 이를 통해 PDAF를 구현하는 방식입니다. 센서에 있는 수백만 개의 픽셀들이 위상차를 측정할 수 있어 빠르고 정확한 자동초점이 가능해집니다

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(캐논 제공)

여기서 삼성은 ^듀얼 픽셀 프로^라는 기술을 새로 개발 해냈는데

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듀얼픽셀 프로는 기존에는 vertical하게 픽셀을 나눴더라면, Vertical Diagonal하게 픽셀을 나눠서 움직이는 피사체에도 빠르게 초점을 잡을수 있습니다

2. 듀얼 픽셀의 단점?

삼성전자의 최근 스마트폰용 CMOS센서의 픽셀 사이즈는 1마이크로 미터 이하로 내려가고 있습니다

그로인해 기존 듀얼 픽셀의 크기가 줄어들게 되면서 듀얼픽셀 구조의 단점이 드러났습니다

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대표적으로 픽셀크기가 감소함에 따라 좌우 픽셀 간에 들어오는 빛의 간섭이 심해져서 AF 정확도와 속도가 떨어진다는 단점이 있습니다

3. 어떻게 간섭을 개선했는가?

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삼성은 FDTI라는 기술을 적용해서 이 문제를 해결하려고했는데

듀얼 픽셀 내부에 부분적 절연부를 생성하고 전하 저장용량을 극대화 해서 화질의 개선과, 간섭문제를 해결하려고 했습니다

4. 또다시 한계

하지만 FDTI 기술은 태생부터 치명적인 결함을 가지고있는데 FDTI기술로 인해서 듀얼픽셀 내부에 장벽이 서게 되면서, 자연스래 포토 다이오드의 크기가 줄어들어 빛의 양이 줄어 든다는 것입니다.

5. 다시 재도약

요 문단을 이해하려면 픽셀구조에 대해 좀더 심도있는 이해가 필요합니다

픽셀에 들어온 빛은 수광부의 마이크로렌즈와 컬러 필터를 통과한 뒤, 포토다이오드에서 음전하를 띤 전자로 변환됩니다. 이후 전자는 트랜스퍼 게이트를 통해 플로팅 디퓨전(floating diffusion)에 저장되고 아날로그-디지털 컨버터(ADC)가 저장된 전하량에 비례하는 전압을 생성한 뒤 이를 디지털 신호로 변환합니다

트랜스퍼 게이트는 전자가 포토다이오드에서 플로팅 디퓨전으로 이동하는 것을 스위치처럼 제어하는 부품으로 트랜스퍼 게이트가 통과시킬 수 있는 최대 전자의 수는 이미지 센서의 성능에 큰 영향을 미칩니다. 트랜스퍼 게이트가 더 많은 전자를 통과시킬 수 있게 되면 픽셀 내부 포토다이오드의 크기를 키울 수 있게 됩니다. 결과적으로 트랜스퍼 게이트의 최대 전송 용량은 다이나믹 레인지 등에 영향을 줍니다

이미지 센서가 점점 더 작아지고 픽셀 밀도가 높아짐에 따라 포토다이오드와 접촉하는 트랜스퍼 게이트의 크기도 작아져야 합니다. 하지만 트랜스퍼 게이트가 작아질수록 전달할 수 있는 전자의 수가 줄어들고, 노이즈가 더 많이 발생하게 됩니다

이걸 해결하기위해서 삼성에서는 트래스퍼 게이트(TG)를 수직으로 세우기로 합니다

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중국 Omnivison 논문이긴한데 기존의 Lateral하게 위치되어있는 TG를 VTG로 바꾸게 되면 포토 다이오드(PD)의 크기가 커지게 됩니다 (그럼 화질이 좋아지겠죠?)

여기에 추가로 아까 듀얼 픽셀의 내부를 가르던 FDTI의 두께도 공정의 개선을 통해 지속적으로 줄여 나가기 시작합니다

6. 이제 VTG를 두개로 늘려보자

삼성은 VTG의 전자 이동을 증가시키기위해서 Dual VTG라는 기술을 개발했는데

삼성은 듀얼 VTG를 구현함으로써 개별 트랜스퍼 게이트 전압의 제어 능력을 높여 단일 VTG 대비 전송 성능을 향상시켰을 뿐만 아니라 VTG 간 간격, 깊이, 테이퍼 경사 등을 최적화해 전자 전송을 극대화했습니다

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single VTG와 Dual VTG 단면도입니다

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위의 그림과 같이 동일한 Si depth에서 dual VTG를 사용한 픽셀이 single VTG를 사용한 픽셀 보다 전위값이 더 큽니다

그 결과 노이즈 특성은 비슷하게 유지하면서도 싱글 일때 비해 듀얼 VTG를 사용했을때 66프로 높은 전하저장용량을 제공하게 됩니다

실제로 삼성 아이소셀 HP1과 HP2는 둘다 2억화소지만 픽셀 사이즈는 HP1이 0.64으로 HP2의 0.6마이크로미터로 HP2가 더 작습니다

하지만 듀얼 VTG 기술의 차용으로 빛의 양은 HP2가 33퍼센트 이상 더 저장할 수 있음으로 더 고화질의 이미지를 만들어낼 수있습니다

- dc official App

고정닉 6

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